Przy wykonywaniu protypu generatora wiele czasu poświęcono na osiągnięcie jak największej mocy przy zachowaniu minimalizacji urządzenia co wymuszało do wykorzystania całego zakresu parametrów elektrycznych elementów głównie łączników, które są najwrażliwsze na uszkodzenie. Oczywiście jednocześnie dążono do uzyskania jak największych drgań (częstotliwości prądu) w obwodzie rezonansowym odbiornika. Wybór częstotliwości prądu i mocy nagrzewania zależy od procesu termicznego przy czym należy pamiętać, że zwiększanie częstotliwości powoduje zmniejszenie mocy z powodu ograniczonych parametrów elementów danego urządzenia.
Jako generatory w. cz. wykonano prototypy przemienników do nagrzewania indukcyjnego o częstotliwości 100 kHz i mocy 2 kW oraz o częstotliwości 1 MHz na nowoczesnych łącznikach energoelektronicznych - szybkich tranzystorach mocy MOSFET.
Przemiennik taki składa się z prostownika z filtrem Lp, Cp, falownika, układu sterowania oraz jego zasilacza (rys. 7.1). Falownik posiada łączniki Ł1, Ł2 z ochronami przepięciowymi, dławik Ld kondensator Cs oraz odbiornik RoLo (nagrzewnica, piec). Urządzenie dostosowano do sieci 220V oraz tak wykonano aby dławik Ld kondensator Cs oraz odbiornik RoLo można łatwo wymieniać w razie potrzeby zmiany częstotliwości pracy lub nagrzewnicy (pieca). Istnieje także możliwość przyłączenia z zewnątrz innego zasilania falownika (np. o wyższym napięciu).
Zaprojektowano i wykonano powyższy prototyp przemiennika (prostownika i falownika) czyli jego układ elektryczny siłowy, układ chłodzenia, konstrukcję mechaniczną, odpowiednie rozmieszczenie elementów: elektrycznych, termicznych, elektronicznych, mechanicznych i chłodzących (wentylacyjnych i hydraulicznych) w taki sposób aby zachować: rezerwę wielkości elektrycznych, minimalny koszt, miniaturyzację oraz niezawodność działania urządzenia. Parametry elektryczne poszczególnych elementów siłowych przemiennika dobrano na podstawie znajomości przebiegów elektrycznych (rozdz. 1) i symulacji komputerowych (rozdz. 3).
Zapewniono odpowiedni układ wymuszonego chłodzenia powietrznego i wodnego dla elementów przegrzewających się. Wentylator chłodzi radiator obwodu siłowego urządzenia, zaś uzwojenie wzbudnika nagrzewnicy wykonane jest z rurki miedzianej chłodzonej wodą. Aby zapobiec przegrzewania się elementów w przypadku braku wymuszenia nośników chłodzenia bądź z powodu innych przyczyn do wspomnianego radiatora i uzwojenia wzbudnika przykręcone są czujniki (termostaty) z których sygnał pobierany jest do układu sterowania.
Wykonywano specjalną konstrukcję elektromechaniczną przystosowaną do wielkich częstotliwości. Bowiem nawet krótki przewód umiejscowiony niewłaściwie może zakłócić pracę całego urządzenia. Na obudowie przemiennika znajdują się: wyłączniki, przełącznik sieciowy, przyciski obwodu sterowania, wyświetlacz alfanumeryczny. Za pomocą przycisków można realizować różne sposoby regulacji mocy Po nagrzewnicy oraz sterować blokadą łączników. Wyświetlacz W informuje o pracy urządzenia.
W przemienniku zamontowano mikrokomputerowy układ sterowania (rodziny MCS-51) opisany w rozdz. 6 i przystowano go do pracy falownika z wielkimi częstotliwościami.
Ustalono optymalną pracę generatora poprzez zastosowanie najkorzystniejszego sposobu sterowania łącznikami oraz właściwy dobór parametrów układu falownika.
Prototyp urządzenia uruchomiono, przetestowano, pomierzono. Wydruki ploterowe z tych pomiarów wykonanych oscyloskopem pokazano na rysunkach 7.2 i 7.3. W przemienniku osiągnięto przy częstotliwości około 100 kHz moc 2 kW oraz osiągnięto częstotliwość 1 MHz. Na rysunku 7.2 znajduje się napięcie uplot jakie wydrukował ploter odwzorowujące przebieg czasowy prądu odbiornika o częstotliwości około 100 kHz dla parametrów falownika:
Ud=300V, 1= /6, 2= , Ilosc=3, L L d o =0,5, o o
=0,14. Powyższy prąd odbiornika i można
obliczyć poprzez pomnożenie napięcia uplot przez współczynnik K
R i p
=50, gdzie Ki jest przekładnią przekładnika Prz (rys. 7.1) zwartego opornikiem Rp. A obliczona wg wzoru (5.1) moc Po = 2100 W.
Rys. 7.2. Wydruk ploterowy z pomiaru oscyloskopem napięcia uplot odwzorowującego przebieg czasowy prądu i odbiornika o częstotliwości 100 kHz
Na rysunku 7.3 znajduje się napięcie uplot jakie wydrukował ploter odwzorowujące przebieg czasowy prądu odbiornika o częstotliwości 1 MHz.
Rys. 7.3. Wydruk ploterowy z pomiaru oscyloskopem napięcia uplot odwzorowującego przebieg czasowy prądu i odbiornika o częstotliwości 1 MHz
Aby osiągnąć powyższe wyniki badań pokonano wiele problemów i trudności głównie z powodów: techniki wielkich częstotliwości (gdzie np. krótki przewód w niewłaściwym miejscu może zakłócić pracę całego układu), stosowania nowoczesnych elementów (np. łączniki) dopiero poznawanych doświadczalnie oraz technik: mikroprocesorowej i przetwarzania cyfrowego na układach GAL.
Uzyskanie jak największych częstotliwości prądu i mocy ograniczane było: - przetężeniami, przepięciami oraz przeciążeniami prądowymi i termicznymi, - parametrami elementów
Aby jak najlepiej wykorzystać parametry elementów zwłaszcza łączników starano się zminimalizować przetężenia i przepięcia, powtarzające się okresowo, które mimo że są krótkotrwałe to niebezpieczne bo nieraz kilka razy większe od znamionowych parametrów elementów.
Należy zaznaczyć, że obniżanie kątów 1, 2 przewodzenia obu diod D1, D2
dopuszczalne jest do określonej wartości minimalnej min = otDmin, której odpowiada czas tDmin
co najmniej równy czasowi tq potrzebnemu na odzyskanie przez dane łączniki energoelektroniczne Ł1 i Ł2 właściwości zaworowych. Ale w rzeczywistości istnienie dławika Ld
o ściśle określonej wartości pozwala na obniżanie kątów 1, 2 do zera ponieważ zwarcie w odpowiednio krótkim czasie łączników Ł1 i Ł2 nie koniecznie musi być zawsze groźne.
Specyfika układu sterowania pozwala na zwarcie łączników przy komutacji w pewnych momentach cyklu co może być korzystne dla funkcjonowania falownika ale o ściśle określonych parametrach. Należy zaznaczyć, że dla innych parametrów to zwarcie może być niedopuszczalne, dlatego też każdy wybór parametrów charakteryzujących obwód elektryczny i parametrów określających sposób sterowania łącznikami należy rozpatrywać indywidualnie.
Podsumowanie
Znaczne zapotrzebowanie na nowoczesne źródła wielkiej częstotliwości do nagrzewania indukcyjnego (hartowania powierzchniowego, topienia) małych gabarytowo elementów metalowych (od ułamka do kilkudziesięciu milimetrów) zainspirowało pomysł zbudowania generatora wielkiej częstotliwości (w. cz.) z półprzewodnikowymi przyrządami mocy (np. tranzystorami), które w przyszłości prawdopodobnie zastąpią generatory lampowe.
W tym celu rozważono nowy układ falownika o takim sposobie sterowania jego łącznikami aby stworzyć możliwości osiągania jak najwyższych częstotliwości i mocy.
W niniejszej rozprawie podano nie tylko rozważania teoretyczne dotyczące szczegółowej analizy układu falownika ale i wykonano praktycznie urządzenie (prototyp), dotąd nieprodukowane. Rozważania teoretyczne zilustrowano przykładami liczbowymi i wykresami wykonanymi przez symulacje komputerowe oraz potwierdzono wykonaniem prototypu co jest dowodem przydatności technicznej (użyteczności praktycznej) wyprowadzonych wzorów i powyżej stworzonej teorii.
W pracach teoretycznych dotyczących szczegółowej analizy układu falownika posłużono się rachunkiem różniczkowym, operatorowym i macierzowym oraz przekształceniami trygonometrycznymi i Fouriera. W wyniku tych prac wyprowadzono wzory na wielkości elektryczne związane z elementami układu. Przeanalizowano także obwody komutacji prądu i opisano proces komutacji czego wynikiem było wyznaczenie wzorów na indukcyjności komutacyjne.
Następnie przeprowadzone zostały symulacje komputerowe przy użyciu programów C++, Pspice i Matlab rozpatrywanego układu falownika. Symulacje te pokazały, że wyższe harmoniczne prądu odkształconego mają znaczący wpływ na proces powierzchniowego nagrzewania indukcyjnego. Ponadto dzięki symulacjom opracowano najkorzystniejszy sposób sterowania łącznikami ze względu na poprawne działanie przemiennika oraz uzyskanie jak największych częstotliwości prądu i mocy co pozwoliło na wyznaczenie sposobów regulacji mocą nagrzewnicy. Po przeanalizowaniu wykresów mocy odbiornika ustalono optymalne obszary regulacji mocą dla pracy urządzenia o różnych parametrach. Tak więc optymalna praca generatora zależy od najkorzystniejszego sposobu sterowania łącznikami oraz właściwego doboru parametrów układu falownika.
Rozważono różne sposoby sterowania łącznikami. Określony przemiennik musi być przemyślany indywidualnie dla ustalenia najkorzystniejszego sposobu sterowania łącznikami oraz właściwego doboru parametrów układu falownika, bo zależy to od wielu czynników takich jak: częstotliwość prądu, moc nagrzewania, regulacja mocy (skokowa czy ciągła), napięcie zasilania (wartość i rodzaj), przepięcia, wyższe harmoniczne prądu odkształconego, układ sterowania, ograniczenia związane z elementami rzeczywistymi które mają ograniczone parametry elektryczne (np. napięcie, prąd, częstotliwość, czas wyłączania tranzystorów falownika, czas opóźnienia mikroprocesora i innych elementów układu sterowania, itd...), maksymalna moc, maksymalna częstotliwość, względy ekonomiczne, energetyczne, typ wsadu i wzbudnika, rodzaj procesu elektrotermicznego, rodzaj nagrzewania (powierzchniowe, wskrośne), itd.. Stopień ważności każdego tych czynników zależy więc od ściśle określonego zadania jakie ma wykonywać przemiennik. A więc najpierw trzeba określić ważność tych czynników a potem dopiero projektować przemiennik.
Układ sterowania generatorów w. cz. wykonano w technice z elementami programowalnymi: mikrokomputerem jednoukładowym rodziny MCS-51 oraz GAL-em z wizualizacją na wyświetlaczu alfanumerycznym. Tak zaprojektowano układ aby poprzez zmianę
mikrokomputerem odpowiednich czasów można było regulować w dowolny sposób moc nagrzewnicy.
Jako generatory w. cz. wykonano prototypy przemienników do nagrzewania indukcyjnego o częstotliwości 100 kHz i mocy 2 kW oraz o częstotliwości 1 MHz na nowoczesnych łącznikach energoelektronicznych - szybkich tranzystorach mocy MOSFET.
W praktycznej realizacji teorii tej pracy wiele czasu poświęcono na osiągnięcie jak największej mocy przy zachowaniu minimalizacji urządzenia co wymuszało do wykorzystania całego zakresu parametrów elektrycznych elementów głównie łączników, które są najwrażliwsze na uszkodzenie. Oczywiście jednocześnie dążono do uzyskania jak największych drgań (częstotliwości prądu) w obwodzie rezonansowym odbiornika. Wybór częstotliwości prądu i mocy nagrzewania zależy od procesu termicznego przy czym należy pamiętać, że zwiększanie częstotliwości powoduje zmniejszenie mocy danego urządzenia.
Pokonano wiele problemów i trudności głównie z powodów techniki wielkich częstotliwości (gdzie np. krótki przewód w niewłaściwym miejscu może zakłócić pracę całego układu) i stosowania nowoczesnych elementów (np. łączniki) dopiero poznawanych doświadczalnie i technik: mikroprocesorowej i przetwarzania cyfrowego na układach GAL.
Uzyskanie jak największych częstotliwości prądu i mocy ograniczane było: - przetężeniami, przepięciami oraz przeciążeniami prądowymi i termicznymi, - parametrami elementów.
Aby jak najlepiej wykorzystać parametry elementów zwłaszcza łączników starano się zminimalizować przetężenia i przepięcia, powtarzające się okresowo, które mimo że są krótkotrwałe to niebezpieczne bo nieraz kilka razy większe od znamionowych parametrów elementów. Największe problemy były nie tyle z przetężeniami i przeciążeniami ale głównie przepięciami na elementach, przy czym na najwrażliwszych elementach - łącznikach były najgorsze do opanowania - bo jest wiele źródeł tych przepięć np.:
-komutacja prądu,
-zwarcie łączników przy komutacji, -wyłączanie łączników,
-wyłączanie diody.
Poprzez ścisły dobór wartości elementów falownika przy zachowaniu parametrów charakteryzujących obwód elektryczny i parametrów określających sposób sterowania łącznikami oraz stosowanie ochron przepięciowych zminimalizowano powyższe przepięcia. Mimo to jak widać z rysunku 3.4 tranzystor T1 nie może być w pełni wykorzystany napięciowo z powodu przepięcia, które mimo wielu prób nie udało się zlikwidować całkowicie. Natomiast prądowo i termicznie elementy są dobrze wykorzystane.
Należy zaznaczyć, że obniżanie kątów 1, 2 przewodzenia obu diod D1, D2
dopuszczalne jest do określonej wartości minimalnej min = otDmin, której odpowiada czas tDmin
co najmniej równy czasowi tq potrzebnemu na odzyskanie przez dane łączniki energoelektroniczne Ł1 i Ł2 właściwości zaworowych. Ale w rzeczywistości istnienie dławika Ld
o ściśle określonej wartości pozwala na obniżanie kątów 1, 2 do zera ponieważ zwarcie w odpowiednio krótkim czasie łączników Ł1 i Ł2 nie koniecznie musi być zawsze groźne.
Specyfika układu sterowania pozwala na zwarcie łączników przy komutacji w pewnych momentach cyklu co może być korzystne dla funkcjonowania falownika ale o ściśle określonych parametrach. Należy zaznaczyć, że dla innych parametrów to zwarcie może być niedopuszczalne, dlatego też każdy wybór parametrów charakteryzujących obwód elektryczny i parametrów określających sposób sterowania łącznikami należy rozpatrywać indywidualnie.
Literatura
1. Baliga B. J.: Power Integrated Circuits in the Saddle. IEEE Spectrum. 1995. Nr 7.
2. Bose B. K.: Evaluation of Modern Power Semiconductor Devices and Future Trends of Converters. IEEE.Vol. 28, NO 2, 1992.
3. Brichant F.: Force-Commutated Inverters, Design and industrial applications. North Oxford Academic. 1984. Macmillan Publishing Company. New York.
4. Fischer F., Conrad H.: Leistungs-MOSFETs in der Energieelektronik. Teil I, II, III, IV ELEKTRIE 36, 1982. H 3, 4, 5, 7.
5. Gawecka H., Januszewski S.: Stan i perspektywy rozwojowe energoelektroniki na świecie i w Polsce. Wiadomości Elektrotechniczne. Rok 1994. Nr 9.
6. Gawecka H.: Tranzystory polowe mocy. Wiadomości Elektrotechniczne. Rok 1993. Nr 1. 7. Hartman M.: Tyrystorowe, napięciowe falowniki szeregowe podwyższonej częstotliwości.
Wyższa Szkoła Marynarki Wojennej. Zeszyty Naukowe Nr 89A. Gdynia 1986.
8. Grzesik B., Kaczmarczyk Z., Junak J.: Analiza porównawcza przemysłowego urządzenia do nagrzewania indukcyjnego... VII Konferencja „Badania naukowe w elektrotermii”. Międzybrodzie Żywieckie. 1997.
9. Hering M.: Podstawy elektrotermii. WNT. Warszawa 1998.
10. Hering M.: Poradnik inżyniera elektryka. T.1 rozdz. 13 - Elektrotermia. Wyd. 2. WNT. Warszawa 1996.
11. Hering M.: Elektrotermia u progu XXI wieku. Przegląd Elektrotechniczny. R. LXXIV. Rok 1998. Nr 6.
12. Izydorczyk J.: PSpice, komputerowa symulacja układów elektronicznych. Wydawnictwo HELION 1993. Gliwice.
13. Januszewski S.: Półprzewodnikowe przyrządy mocy w energoelektronice. Przegląd Elektrotechniczny. R. LXXIII. Rok 1997. Nr 1.
14. Januszewski S.: 40 lat rozwoju i zastosowań półprzewodnikowych przyrządów mocy. Wiadomości Elektrotechniczne. R. LXVI. Rok 1998. Nr 5.
15. Januszewski S. Gawecka H.: Porównanie charakterystyk eksploatacyjnych tranzystorów energoelektronicznych MOSFET i IGBT. Wiadomości Elektrotechniczne. R. LXVII. Rok 1999. Nr 11.
16. Januszewski S. Kociszewska-Szczerbik M.: Inteligentne energoelektroniczne układy scalone. Wiadomości Elektrotechniczne. R. LXVII. Rok 1999. Nr 7.
17. Januszewski S., Świątek H.: Półprzewodnikowe przyrządy mocy do urządzeń energoelektronicznych. Wiadomości Elektrotechniczne. R. LX. Rok 1992. Nr 5, Nr 6. 18. Januszewski S., Zymmer K.: Energoelektronika. Przegląd Elektrotechniczny. 1994. Nr 10. 19. Katalog tranzystorów mocy MOSFET. XEXFET, Hex-pak Power MOSFET. International
Rectifier. California USA 1993.
20. Katalog firmy DACPOL. Podzespoły dla energoelektroniki.
21. Kurbiel A.: Analysis of a thyristor-diode series voltage inverter for induction heating. Archives of electrical engineering, Vol. XLIV, 1995, No 3.
22. Kurbiel A.: Induction heating with non-sinusoidal currents. Archives of electrical engineering, Vol. XLIV, 1995, No 3.
23. Kurbiel A.: Indukcyjne urządzenia elektrotermiczne. Skrypt uczelniany AGH. Kraków 1992, Nr 1308.
24. Kurbiel A., Kieroński R.: Dwutyrystorowy falownik napięcia do nagrzewania indukcyjnego. Przegląd Elektrotechniczny, Rok LXIX, 1993, Nr 3.
25. Kurbiel A., Łoziak W.: Dwutaktowe falowniki napięcia. Elektrotechnika. Kwartalnik AGH, tom 2, zeszyt 3, 1983.
26. Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. Podręczniki akademickie EIT. 1987.
27. Pasternak J., Kieroński R.: Prąd odkształcony w dwułącznikowym falowniku napięcia do powierzchniowego nagrzewania indukcyjnego. Materiały V Sympozjum nt.: „Symulacja, pomiary i diagnostyka w elektrotermii”, Hołny Mejera 25 28.09.1996
28. Pasternak J., Kieroński R.: Wpływ prądu odkształconego na proces powierzchniowego nagrzewania indukcyjnego. Jakość i użytkowanie energii elektrycznej, Tom 2 - zeszyt 2 - listopad 1996. s. 61-69.
29. Pasternak J., Kieroński R.: Wybrane metody obliczania wielkości elektrycznych w indukcyjnych urządzeniach elektrotermicznych zasilanych z energoelektronicznych przemienników częstotliwości. Materiały Konferencji pt.: „Wspomaganie komputerowe projektowania pieców i nagrzewnic indukcyjnych” Wisła 28 30.11.1996.
30. Pasternak J., Kieroński R.: Symulacje przebiegów wielkości elektrycznych w falownikach napięcia do nagrzewania indukcyjnego. 4 Międzynarodowa Konferencja „Jakość i użytkowanie energii elektrycznej”, Kraków - Przegorzały, 23-25.09.1997 (strony 167 - 172).
31. Porębski J., Korohoda P.: Spice, program analizy nieliniowej układów elektronicznych. WNT 1993. Warszawa.
32. Sajdak C., Samek E.: Nagrzewanie indukcyjne. Wyd. Śląsk, Katowice 1985.
33. Schuller R.: Ablösung der konventionellen Schaltanlagen zur Versorgung von Induktionsrinnenöfen durch Transistorumrichter. Elektrowärme international, edition B. September 1995. Nr 3.
34. Skoczkowski T.: Nagrzewanie indukcyjne. Przegląd Elektrotechniczny. Rok LXXII. 1996. Nr 10.
35. Skrzypek T., Sajdak Cz., Skoczkowski T.: Elektrotermia. Przegląd Elektrotechniczny. 1994. Nr 10.